[发明专利]基于织物的可穿戴可调滤波器结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于织物的可穿戴可调滤波器及其制备方法，属于微波器件技术领域，包含SSPP结构的阻抗匹配转换部分、经典的SSPP沟槽、用于调控SSPP色散特性的沟槽结构附加路径、用于实现高频隔离的上部偏置电路、下部偏置电路等金属结构、织物衬底以及加载于织物SSPP上的OECT。通过对OECT施加直流偏置，SSPP的色散特性及工作频率能够发生相应的改变，从而获得动态可调的滤波特性，此外，通过合理设置附加路径的长度组合，可实现多状态的频率可调特性。本发明为可穿戴通信系统面临的频率干扰问题提供了一个有效的解决途径。

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，涉及基于织物的可穿戴可调滤波器结构及制备方法。

背景技术

随着医疗、安全、运动科学等领域的快速发展，可穿戴技术及系统的重要性日益凸显。一般来说，可穿戴系统的功能包括测量人体的生理、生命体征或运动数据，并将其传输到通信节点。随着监控和传输各种信号需求的增加，多波段通信是当今可穿戴设备必不可少的环节。多波段通信设备面临的一个不可忽视的问题是不同频率信号通道之间的干扰。一般来说，对于传统的刚性通信系统，这一问题可以通过设计频率可调天线或可调滤波器来解决，而对于可穿戴系统，则需要考虑更多因素，如人体运动对形状变化的影响、穿戴舒适性等。一些研究团队试图从可穿戴天线的角度来解决这一问题例如，利用频率可调天线可以减少其他信道的干扰，但窄带天线容易受到人体运动的影响，导致工作频率偏移的问题。此外，宽带可穿戴天线可以减少由人体引起的影响，但无法解决信道干扰的问题。针对这一问题，理想选择是设计一种可穿戴可调滤波器，同时具有对形变不敏感及穿戴舒适的优点。

在这样的需求向导下，人工表面等离子体结构(SSPP)的优点脱颖而出，SSPP具有优异的场局域性，该物理特性使得其对器件形变的敏感程度低，能够很好地保证器件在人体形变下的工作稳定性。利用该特性，在最近的工作中，SSPP已经作为传输线应用到可穿戴系统中(X.Tian,P.M.Lee,Y.J.Tan,et al.Wireless body sensornetworks basedonmetamaterial textiles.Nat.Electron.2019,2,243–251.)。该文献中利用SSPP结构进行信号传输，与无线电波在自由空间的传输相比，传输效率提高了近30dB，进一步印证了SSPP在可穿戴系统中的优势。另一方面，利用织物或纺织材料去进行微波器件的设计与制备将赋予微波器件轻、薄、柔等诸多优点，对于可穿戴器件而言，织物衬底更易与衣服进行集成。因此将SSPP制备到织物上，并利用调控手段改变其色散特性，从而改变SSPP的工作频率，是实现可穿戴可调滤波器的一个很好的途径，对于解决可穿戴系统地频率干扰现象有着重要的意义。

然而，想要实现基于SSPP的可穿戴可调滤波器，还有很多问题要解决。到目前为止，大多数可调SSPP都是通过集成刚性集总元件实现的，焊接工艺所需的高温极易使织物基底受到破坏，导致样品加工失败。另外，焊接的集总器件在人体形变时，容易发生脱焊的现象，造成集总器件开路。近年来，有机电化学晶体管(OECT)引起了越来越多的关注，高平面集成度的优点使得其在柔性器件的制备上有着独特的优势。在最近的一篇报道中，研究者们利用OECT制备了一款超表面，证明了OECT的工作频率能够达到3.8GHz(G.E.Bonacchini,F.G.Omenetto.Reconfigurable microwave metadevices based onorganic electrochemical transistors.Nat.Electron.2021,4,424-428.)，为微波段基于OECT的可调器件设计及制备提供了基础。

发明内容

技术问题：针对可穿戴系统的频率干扰问题，结合SSPP结构场局域性强，受形变干扰小的优点以及OECT平面集成度高，无需高温焊接的优点，设计一款可穿戴可调的滤波器。具体发明内容包括利用OECT对SSPP的工作频率调控的结构设计，偏置电路设计，织物基底上的导电图案集成以及OECT集成。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种基于织物的可穿戴可调滤波器采用如下技术方案：